https://bodybydarwin.com
Slider Image

100 års generell relativitet: Hvorfor Einstein fremdeles står

2021

For hundre år siden denne måneden omdefinerte Albert Einstein hva tyngdekraften er, og styrte sin egen helt Isaac Newton.

Newton hadde sett for seg at tyngdekraften skulle være en styrke som alle andre som trekker på ting for å få dem i gang. Men Einstein svev tyngdekraften inn i veldig stoff av tid og rom, og formet et usynlig landskap av åser og daler som gjenstander beveger seg gjennom. Ligningene som beskriver denne visjonen, kjent som den generelle relativitetsteorien, har siden blitt en hjørnestein i moderne fysikk - åpning av nye dører for å forstå alt fra hvordan planeter og stjerner beveger seg til eksistensen av mørk materie og de første dagene av selve universet.

"I dag er det virkelig standardmodellen for tyngdekraften, " sier Clifford Will, en fysiker ved University of Florida som har viet sin karriere til teorien. "Det har bestått hver eksperimentelle test med flygende farger."

"Det har bestått hver eksperimentelle test med flygende farger."

Det har ikke stoppet folk i håp om å utfordre villhårgeniet fra å utarbeide alternative teorier. Nye ideer for å endre generell relativitet har mangedoblet seg de siste årene. Noen tilfører universet ekstra dimensjoner. Andre oppfinner helt nye partikler. Alle har en ting til felles: Det er aldri funnet noen bevis for å sikkerhetskopiere dem.

"Det er hundrevis av disse teoriene i den vitenskapelige litteraturen, " sa Tessa Baker, en teoretisk fysiker ved University of Oxford. "Du kan bygge alle slags gravitasjonsteorier som oppfører seg på alle slags forskjellige måter."

Ingen forventer seriøst å kaste ut Einsteins ligninger helt - bortsett fra kanskje crackpots som sendte uønskede manuskripter i posten til vitenskapsjournalister som meg. Men fysikere har god grunn til å være gretne om generell relativitet, til tross for at den lykkes. Det kommer ikke overens med kvantemekanikken, som styrer virkelighetens minste skalaer. Og det inkluderer en fudge-faktor som plaget Einstein selv, som la den til for å redegjøre for den akselererende utvidelsen av universet. Men her i vårt eget solsystem har generell relativitet bevist seg gang på gang.

Tenk på planeten Merkur. Den elliptiske banen den sporer gjennom himmelen beveger seg rundt over tid. Newtons matte kunne forklare denne presesjonen for andre planeter, men ikke Merkur. Det tok Einstein å identifisere årsaken: skjev romtid nær sola har en uttalt effekt på Merkur, den nærmeste planeten til solen.

Generell relativitet spådde også hvor mye disse forvrengningene fra solens tyngdekraft skulle bøye en lysstråle som passerer i nærheten. Team av britiske astronomer som reiste til Sør-Amerika og Afrika bekreftet berømt den prediksjonen ved å fotografere stjerner synlige nær sola under en solformørkelse.

Andre har siden vakt tvil om det eksperimentet hevder at astronomene kanskje så hva de ville se men evnen til stjerner og andre himmellegemer til ikke bare å bøye lys, men skifte farge er nå godt bevist. Noen himmelske kropper fokuserer til og med lyset som kommer fra fjerne objekter, og fungerer som linser som for eksempel hjelper planetjegere med å finne fremmede verdener rundt fjerne stjerner.

For rundt 5 til 10 år siden begynte folk å innse at vi trengte å teste generell relativitet på større skalaer.

Selv om Jorden har en mye svakere tyngdekraft enn Solen, har teknologiske fremskritt gjort det mulig å bekrefte dens uhyggelige effekter nærmere hjemmet. Spinning av gyroskop i bane ombord på NASAs lengste løpende oppdrag, Gravity Probe B, beveget seg vinglete på en måte som stemmer overens med jordas masse, og både snevde stoffet i romtiden som en bowlingball på en trampoline og vrir den som en skje som krølles med honning. Her på overflaten tikker verdens mest presise klokker, som holder tiden med vibrerende atomer, litt tregere hvis de plasseres på gulvet i stedet for bordet - takket være den litt sterkere tyngdekraften på gulvet som bremser tiden.

De som er forhindret av planeter og stjerner, har håpet å pirke hull i Einsteins teori og begynne å se på ukjørt vann andre steder i universet.

"For omtrent 5 til 10 år siden begynte folk å innse at vi trengte å teste generell relativitet på større skalaer, " sier Luca Amendola, en teoretisk fysiker ved University of Heidelberg.

Nye prosjekter som skal sjekke relativitetens spådommer for strukturen i selve universet inkluderer det europeiske romoppdraget Euclid og Large Synoptic Survey Telescope, som brøt bakken i år i Chile og vil bruke et panoramakamera for å fotografere galakser.

Andre fokuserer på de mest gravitasjonelt fantastiske gjenstandene i universet: sorte hull.

"Vi vil teste tyngdekraften i forskjellige regimer, " sier Dimitrios Psaltis, en astrofysiker ved University of Arizona. "Vi vil se om vi kan finne bevis på ny fysikk som vises utenfor en viss terskel."

Psaltis har sluttet seg til et internasjonalt team av astronomer som ser på det sorte hullet som bor i sentrum av galaksen vår. Selve det sorte hullet er usynlig; dens tyngdekraft er så sterk at ingenting som krysser hendelseshorisonten, inkludert lys, kan unnslippe. Men rett utenfor hendelseshorisonten ligger en disig ring av lys og radiobølger gitt av støv som faller ned i det sorte hullet.

Nesten et titalls teleskoper på fire kontinenter er innstilt på radiobølgene for å sjekke om den ringen har den størrelsen og formen som er forutsagt av generell relativitet. Synkronisert med atomklokker fungerer nettverket som ett gigantisk virtuelt teleskop: Event Horizon Telescope, som strekker seg fra Spania helt ned til det nyeste medlemmet av samarbeidet som ble med i vår, South Pole Telescope.

Et europeisk romoppdrag som skal lanseres denne måneden har også sorte hull i hjernen. Kalt LISA Pathfinder, vil den prøve ut teknologier som er bestemt til å fly på et 2034-oppdrag, eLISA, som vil sjekke ut hva som skjer når to sorte hull går i bane rundt hverandre.

Pathfinder

Generell relativitet forutsier at slike par bør skape bølger i romtiden som rippes utover, og får gjenstander til å utvide seg og trekke seg sammen. LIGO, et bakkebasert instrument som nylig ble oppgradert i september, har forsøkt å fange de gravitasjonsbølgene i mange år. eLISA vil kaste nettet sitt ved å bruke tre sett med fritt flytende objekter.

I det stille i rommet, bør avstanden mellom disse gjenstandene, som måling ved hjelp av lasere som forbinder de tre romskipene som bærer dem, endre seg litt hvis en bølge fra to sorte hull i to sammenflettende galakser går forbi.

Å fange en bølge vil ikke nødvendigvis bekrefte Einstein s teori

LISA bør se noen titalls av disse fusjonshendelsene over oppdragets lengde, sa Jonathan Gair ved University of Cambridge.

Å fange en bølge vil ikke nødvendigvis bekrefte Einstein s teori; den må endre avstander bare i retninger vinkelrett på selve bølgen. Ellers må fysikere gå tilbake til tegnebrettet.

Teoretikere kan fortelle oss lite i dag om hva ny fysikk ville være nødvendig hvis noen av disse prosjektene finner noe rart. De vil fortsette å leke med leketøysteoriene sine raffinere og revidere regnestykket og kaste ut dem som har problemer fravær av bevis som kan rettferdiggjøre dem. Men de vil drømme om dagen at dataene utfordrer Einstein. Inntil da vil tyngdekraften hans fortsette sin nå hundre år lange regjeringstid.

53 prosent av en pute med minneskum og andre drømmende avtaler som skjer i dag

53 prosent av en pute med minneskum og andre drømmende avtaler som skjer i dag

Vil sprekker i kne mine gi meg leddgikt?

Vil sprekker i kne mine gi meg leddgikt?

#DoesItFart er det brennende vitenskapsspørsmålet du aldri visste at du hadde

#DoesItFart er det brennende vitenskapsspørsmålet du aldri visste at du hadde